"과학문화교육"

2004-12-25 (Vol 1, No 1)

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과학교육학 학위논문 요약과 종합해설

대립개념의 증거적 비판 논의와 반성적 사고를 통한 대학생의 힘과 가속도 개념변화

국문초록

학생의 힘과 운동의 관계 개념에 관한 연구결과는 초중등 학교 과학수업에도 불구하고 많은 학생들이 자신의 수업 전 개념을 변화하지 않거나 오히려 자기 나름의 생각을 더운 강화하는 것으로 나타났다. 학생의 개념변화를 위하여 학생의 개념으로는 설명되지 않는 갈등 상황을 제시하여야 함을 여러 연구자들이 주장하였으나 이러한 갈등상황의 제시가 학생들에게는 무의미할 수 있음을 보고한 연구도 있다.

본 연구는 학생들의 물리개념 변화를 위해 학습자가 갈등상황을 능동적으로 인식하고 자신의 개념변화 과정을 조절할 수 있도록 하는 학생의 물리개념 변화 모형을 연구하였다. 이 모형에서는 대립개념들에 대한 비판적 논의와 반성적 사고를 개념변화의 중요한 요인으로 보았다.

고안된 물리개념 변화 모형을 구체화하여 새로운 수업 방안을 강구하고 일반 물리학을 이수하는 대학생들에게 적용한 후 그 결과를 분석하였다.

수업 전 학생의 속도와 가속도 개념을 조사하기 위한 예측;관찰;설명 방식 검사도구와 힘과 가속도 관계 개념을 조사하기 위한 선택 후 설명방식의 지필검사를 개발 적용하였는데, 가속도에 관한 예측;관찰;설명 방식에서 학생의 옳은 응답의 빈도는 매우 낮았고 다음과 같은 사전 개념이 발견되었다. (1) 가속도의 크기는 속도의 크기에 비례한다. (2) 가속도를 시간 또는 위치에 따라 혼동하고 있다. (3) 가속도의 방향과 운동방향은 같다. (4) 속도가 0이면, 가속도도 0이다. 힘과 가속도의 관계에 관한 사전 지필검사에서는 객관식 선택 정답율이 질문유형에 따라 7%에서 74%에 걸치며 전반적으로 낮았고, 설명형까지 고려한 정답율은 0%에서 21%로 더욱 낮았으며 설명에 필요한 힘의 종류와 설명방식이 문제상황에 따라 다르게 나타났다. 특히 학생의 다섯가지 사전개념이 발견되었다. (1) 힘과 운동방향이 같다. (2) 더 큰 힘이 작용하는 방향으로 항상 운동한다. (3) 힘은 물체 내부에 존재하며, 생성, 소멸한다. (4) 물체는 정지하거나 움직이려는 의지를 가지고 있다. (5) 힘이 없으면 물체는 정지한다.

수업을 통하여 학생들의 개념이 얼마나 어떻게 변화하였는지를 알기 위해서 수업 중 제시된 과제를 응답 원문 인용에 의하여 분석한 결과, 학생들은 자신의 생각과 타인의 생각을 인식하여 서로 비교하였으며, 자신의 개념변화 과정에 대해서도 잘 인식하여, 개념변화 요소를 깨달음으로써 개념변화가 일어났다. 그러나 , 개념변화 후에도 문제상황에 따라 학습자의 원래 개념이 다시 나타나는 사례도 있었다. 학생의 개념변화 과정은 급진적인 경우와 점진적인 경우가 함께 존재하는 것으로 나타났다.

사후검사 결과, 객관식 선택 응답에서는 93%에서 100%까지, 설명형 응답에서는 86%에서 94%까지 높은 정답율을 보였다. 학생들의 오류를 물리학적 관점에서 잘못된 점을 설명하도록 한 전형적 오류 설명에서는 학생들의 정답율이 객관식 선택 응답과 설명형 사후검사 결과에 비하여 다소 낮아졌으나 대부분의 학생들이 물리학적으로 옳은 설명을 하였다. 그러나 전체적으로는 옳은 응답을 보였으면서도 개인에 따라 특성 문제상황에서 잘못된 설명을 보이는 사례도 있었다.

결론적으로, 새로운 개념변화 모형에 기초한 수업을 실시한 결과, 대부분의 학생들이 힘과 가속도에 대해 자신의 생각은 물론 타인의 생각에 대한 반성적 사고와 각 생각들에 대한 증거적 비판 논의를 통해, 자신의 개념을 물리학자적 개념으로 변화시키게 되었다. 따라서 대립가설의 증거적 비판과 반성적 사고를 중요시 하는 개념변화 모형은 한가지의 바람직한 물리개념 학습지도 과정으로 여기고 심층적인 이론적 연구와 엄격한 실험적 연구가 계속되고 다른 물리 개념에의 적용 연구가 확대될 것이 기대된다. 학생들의 논의 과정 중에 가속도에 대한 이해가 중요한 요소로 작용하였던 점과 과학사에서도 갈릴레오의 가속도 개념 이해가 중요한 요소였던 점에 유사서이 있었다. 장기적으로는 물리학자들의 활동 중심 물리학사 연구와 학생들의 물리개념 변화연구를 대조시키는 비교 연구도 시도할만 하다는 직관적인 생각을 갖는다.

주요어 : 사전개념, 개념변화, 힘과 가속도, 대학생, 대립개념, 증거적 비판 논의, 반성적 사고

서울대학교 박사학위 논문, 1991
지도교수 박승재
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College Students' Conceptual Change about Force and Acceleration through Critical Discussion of the Rival Concetps Based on Evidences and Reflective Thinking

Abstract

According to many previous researches on the students' conceptions about force and motion, in spite of school science learning the students' preconceptions were either not changed or reinforced. Although many researchers argued that the presentation of conflict situations which can not be explained by the students' preconceptions is prerequisite to their conceptual changes, some other researchers argued that such a presentation could be useless.

In this study, a model of students' conceptual change in physics, which encourages students to recognize actively the conflicting situations and to control the process of their conceptual changes, was developed first. In this model, the critical discussion on rival concepts and the reflective thinking were regarded as two important factors for students' conceptual changes.

Based on this model, a new instructional strategy was designed and applied to college students who were taking a general physics course, then its results were analyzed.

Pre-test consisted of the P.O.E(prediction-observation-explanation) type test on acceleration and the explanation-after-selection type test on force and acceleration. Results from the test on acceleration showed that students' understandings were very poor and that they had following preconceptions (1) acceleration is proportional to velocity (2) students were confused acceleration with time and position (3) the direction of acceleration was the same to that of velocity (4) if velocity is zero, acceleration is zero. Results from the test on force and acceleration showed rather low performances, that is, the rates of correct answers ranged from 7% to 74% in case of the selection type, and the rate was even lower, ranged from 0% to 21% when the explanation type was included. The kind of force which was used by students for their answers and the type of students' answers were found to be significantly context dependent. And five other students' preconceptions were also found: that is, (1) the direction of force is the same to the direction of velocity (2) object moves always to the direction of the bigger force (3) force exists inside an object and it can be generated and be used up (4) objects have wills to move and to stop (5) no force, no motion.

The processes of the change of students' conceptions through the instructions were examined by the analysis of students' responses to given tasks during the instructions.
Students successfully recognized their own thinking for themselves and changed their conceptions by understanding the elements of conceptual change. However, there were some instances where even after the conceptual change students showed their original preconceptions depending on the context of questions. It was also found that students'
conceptual changes were either revolutionary or progressive.

Through the post test, it was found that the rate of correct answers increased noticeably I.e. it ranged from 93% to 100% in the selection type and 86% to 94% in the explanation type. For the interview questions in which students showed typical errors, most students gave physically sound explanations although the average success rate was lower than those of the selection type and the explanation type questions.

In conclusion, through the application of the developed model of conceptual change to the instructions, most students were found to become able to change their conceptions into scientific ones by using the critical discussion based on evidences and the reflective thinking not only for their own ideas but also for other students' ideas. Thus the model of conceptual change, which emphasizes the critical discussion of the rival concepts based on evidences and the reflective thinking, can be regarded as one advisable teaching process for physics concepts. And it is expected that further theoretical researches as well as further controlled experimental researches would be carried out. It is also hoped that similar approaches would be applied to other areas of physics concepts Considering the similarities shown between the fact that understanding of acceleration was an important element during students' discussions and the fact that Galileo's concept on acceleration played an important role in the history of science and between the concept of impetus in the history of science and a similar concept in students' understanding, I intuitively think that it is worth while to carry out researches comparing the history of physics with the change of students' conceptions.


key world : preconception, conceptual change, force and acceleration, college students, rival concepts, critical discussion based on evidences, reflective thinking.

Doctoral Dissertation of Seoul National University, 1991
Adviser: Professor Sung- Jae Pak
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"연구논문 요약(1)"
한국인으로 국내외에서 과학교육학 논문으로 박사학위 하신 분은 요약을 투고 해 주시고, 또 이 요약에 대해 여러분께서는 건설적인 토론의 글을 올려 주시기 바랍니다.

김익균(金益均, Ik-Gyun Kim)
충복대학교

과학문화교육연구소